提高電力線載波通信可靠性的方法

黃洪邵強(qiáng)徐睿姜蘇娜/ .福建省計(jì)量科學(xué)研究院；.國(guó)網(wǎng)福建電力有限公司福州供電公司；.青島鼎信通訊股份有限公司

提高電力線載波通信可靠性的方法

黃洪1邵強(qiáng)2徐睿3姜蘇娜1/ 1.福建省計(jì)量科學(xué)研究院；2.國(guó)網(wǎng)福建電力有限公司福州供電公司；3.青島鼎信通訊股份有限公司

分析了阻抗特性、衰減、噪聲等影響電力線載波通信可靠性的因素，在此基礎(chǔ)上探討了改善阻抗特性、屏蔽噪聲干擾、采用先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)等提高載波通信可靠性的方法。

電力線載波通信；可靠性；阻抗特性；噪聲；調(diào)制技術(shù)

0 引言

電力系統(tǒng)通信為電力系統(tǒng)正常運(yùn)行提供全面的支撐，如調(diào)度和站用內(nèi)線電話以及2M光纖通信等，其主要作用是為繼電保護(hù)設(shè)備和自動(dòng)化控制設(shè)備提供優(yōu)質(zhì)可用的通道，供站間的設(shè)備通信，并將站內(nèi)信號(hào)上傳到局端。隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)的推行，建設(shè)一個(gè)網(wǎng)架堅(jiān)強(qiáng)、廣泛互聯(lián)、高度智能、開放互動(dòng)的全球能源網(wǎng)絡(luò)對(duì)電力系統(tǒng)通信提出新的要求，電力系統(tǒng)通信不僅是電力生產(chǎn)過(guò)程中的必備環(huán)節(jié)，也是實(shí)現(xiàn)需求側(cè)用電管理的保障。

電力線載波依靠電力線傳輸而不需要單獨(dú)架設(shè)通信線路，具有結(jié)構(gòu)牢固，不易受外力破壞， 建設(shè)成本低廉的特點(diǎn)，是電力系統(tǒng)中采用的主要通信方式之一。然而電力線的阻抗特性、衰減特性、噪聲干擾等特性給電力線載波通信可靠性帶來(lái)巨大威脅，因此有必要對(duì)提高電力線載波通信可靠性的方法進(jìn)行研究。

1 電力載波通信可靠性

配電網(wǎng)電力線載波通信可靠性指配電網(wǎng)正常運(yùn)行過(guò)程中有效通信的能力，包含了可靠性主體、約束限制、約束時(shí)間與功能、性能測(cè)試和系統(tǒng)故障等要素［1］。這里可靠性主體是低壓電力線載波通信網(wǎng)；約束限制是干擾通信的各種因素，包括網(wǎng)內(nèi)特性和網(wǎng)外干擾；約束時(shí)間與功能是指在有效時(shí)間內(nèi)所滿足的通信需求；性能測(cè)試與系統(tǒng)故障是指測(cè)試通信系統(tǒng)在約束時(shí)間內(nèi)是否能滿足通信需求和是否會(huì)發(fā)生突發(fā)性故障。充分了解約束限制環(huán)節(jié)，對(duì)干擾通信的因素進(jìn)行全面了解及分析是提高通信可靠性的一種必要手段。

2 影響因素特性

為提高配電網(wǎng)電力線載波通信可靠性，需要解決電力線阻抗匹配、信號(hào)衰減和噪聲干擾等問(wèn)題，有必要圍繞這三方面進(jìn)行特性分析，以采取針對(duì)性措施提高通信可靠性。

2.1 阻抗特性

低壓電力線載波通信信道的輸入阻抗是指信號(hào)發(fā)送裝置和信號(hào)接收裝置驅(qū)動(dòng)點(diǎn)處電力網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗［2］。在如圖1所示的電力線分布參數(shù)等值模型中，設(shè)Zin和Z0分別為電力線輸入阻抗和負(fù)載阻抗，Z為電力線特性阻抗。

圖1 電力線輸入阻抗和負(fù)載阻抗

輸入阻抗可由式（1）計(jì)算得出：

式中：γ——電力線傳播系數(shù)；

l——所求等效阻抗點(diǎn)到負(fù)載之間電力線的長(zhǎng)度；

當(dāng)Z0= Z，即負(fù)荷電力線阻抗匹配時(shí)，電力線反射系數(shù)，即電力線上不發(fā)生反射，則Zin= Z0= Z。

由于傳播系數(shù)和頻率相關(guān)，電力線載波系數(shù)受載波信號(hào)頻率影響。此外，網(wǎng)絡(luò)阻抗具有時(shí)變性，且受負(fù)載影響較大，在配電網(wǎng)用戶側(cè)其阻抗特性會(huì)隨用電設(shè)備的投入和切除而產(chǎn)生變動(dòng)。據(jù)文獻(xiàn)［3］的測(cè)量結(jié)果分析，在寬帶電力線載波通信中，當(dāng)在波信號(hào)頻率在1～20 MHz頻率范圍內(nèi)時(shí)，阻抗在200～1 000 Ω范圍內(nèi)大幅度波動(dòng)；頻率為20 MHz以上時(shí)，阻抗在10 Ω到150 Ω范圍內(nèi)波動(dòng)。

2.2 衰減特性

影響低壓電力線載波信號(hào)衰減的因素有：低壓配電網(wǎng)負(fù)載、低壓電力線輸入阻抗和通信距離等。在配電網(wǎng)電力線載波通信中，載波信號(hào)的衰減主要由線路衰減和耦合衰減兩部分組成。線路衰減產(chǎn)生的原因主要包括電網(wǎng)拓?fù)鋸?fù)雜、阻抗不匹配、節(jié)點(diǎn)數(shù)量巨大引起的多徑效應(yīng)，這些因素會(huì)造成信號(hào)衰減；電力線載波信號(hào)作為電磁干擾源產(chǎn)生能量耗散，進(jìn)而衰減；線路負(fù)載多樣性對(duì)電力線信號(hào)造成的衰減。耦合衰減產(chǎn)生的原因是載波耦合模塊和電力線路輸入阻抗不完全匹配。綜合以上因素電力線多徑效應(yīng)與支路的存在有關(guān)，且支路數(shù)量越多，其衰減效應(yīng)越明顯。電力線信道的衰減特性是一個(gè)與距離有關(guān)的函數(shù)。綜合這些分析得出的電力線信道衰減模型如式（2）所示。

式中：gi——權(quán)重；

a0、a1——衰減因子；

k——衰減因子的指數(shù)，取值一般為0.5到1.0；

τi——路徑i的時(shí)延

式（2）綜合了電力線信道傳輸信號(hào)時(shí)電纜自身衰減部分和多徑效應(yīng)，比較全面概括了電力線的衰減特性。

2.3 噪聲干擾

電力線載波通信噪聲通常指混疊在載波通信信號(hào)中的干擾信號(hào)，這些干擾信號(hào)通常為諧波或間諧波，會(huì)對(duì)接收端的正確解調(diào)產(chǎn)生影響［1］。由于低壓配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、負(fù)荷類型多樣、變化實(shí)時(shí)而隨機(jī)，特別是當(dāng)今變頻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于低壓電器中，具體如中壓側(cè)線路故障、雷擊、短路、電網(wǎng)投切等；低壓側(cè)電器的投入、切出和運(yùn)行，可控硅器件的調(diào)節(jié)，電網(wǎng)線路的合閘跳閘等，使低壓電力線受到復(fù)雜的外界噪聲干擾，導(dǎo)致載波通信可靠性下降。

將電力線上的噪聲按照引起原因、持續(xù)時(shí)間、頻譜和強(qiáng)度可以分為背景噪聲和脈沖噪聲兩大類。背景噪聲有：有色背景噪聲、窄帶噪聲、與工頻異步的周期脈沖噪聲［4］；脈沖噪聲有：與工頻同步的周期脈沖噪聲、隨機(jī)脈沖噪聲［5］，如圖2所示。

1）背景噪聲

背景噪聲由很多低功率的噪聲源引起，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，從幾秒到幾小時(shí)不等。在PLC通信中，背景噪聲是正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)產(chǎn)生同步偏差的一個(gè)原因。背景噪聲可以用白噪聲濾波形成，噪聲整形濾波器的函數(shù)式如式（3）所示。

式中：B（Z）、A（Z）——分別為移動(dòng)平均部分和自回歸部分

以有色背景噪聲為例，背景噪聲產(chǎn)生方法如圖3所示。

圖3 背景噪聲產(chǎn)生方法

背景噪聲功率頻譜比較平穩(wěn)，一般隨頻率上升而下降。

2）脈沖噪聲

脈沖噪聲以毫秒或微秒的速度隨時(shí)間變化，功率譜密度幅度較高，一般比背景噪聲高幾十dB數(shù)量級(jí)。電力線載波通信數(shù)據(jù)傳輸中出現(xiàn)的比特錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤主要由異步脈沖噪聲引起。

異步脈沖噪聲特性可以用隨機(jī)變量表示，建立脈沖序列模型如式（4）所示。

式中：tw——脈沖寬度；

A——脈沖幅值；

ta——時(shí)間間隔；

p（t/t0）——單位幅值和脈寬為tw的通用脈沖函數(shù)；

i——脈沖序列號(hào)，脈沖i的參數(shù)twi、Ai、tai為隨機(jī)變量

脈沖噪聲的寬度tw一般很窄，只有大約1%的脈沖寬度超過(guò)500 μs，0.2%的脈沖寬度超過(guò)l ms，兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔有90%以上在200 μs以下。脈沖噪聲的功率譜與背景噪聲功率譜不同，其幅值會(huì)突然增加。

3 電力線載波通信可靠性提高方法

要提高電力線載波通信可靠性可從應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層幾個(gè)方面著手，如圖4所示。

圖4 提高電力線載波通信可靠性關(guān)鍵點(diǎn)

這里詳細(xì)討論從物理層入手的提高措施。

3.1 采用自動(dòng)組網(wǎng)技術(shù)

電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的目的是，通過(guò)一定的方法找出網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)能夠有效聯(lián)通每個(gè)通信終端。電力線載波通信信道的不良特性使得用電力載波通信組網(wǎng)過(guò)程有自己的特點(diǎn)。這些不良特性包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臅r(shí)變、通信媒質(zhì)共享信道、無(wú)專用的交換機(jī)或中繼器、數(shù)據(jù)處理能力低，因此要求電力線載波通信組網(wǎng)必須具備自組織、自適應(yīng)能力。為提高通信可靠性，電力線載波通信組網(wǎng)可采用自動(dòng)組網(wǎng)方法。

具體過(guò)程如下：

（1）載波系統(tǒng)通電，系統(tǒng)開始自動(dòng)組網(wǎng)。

（2）每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包。

（3）每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)包，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)包的地址信息建立、更新本節(jié)點(diǎn)的可通信路由表。

（4）當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)有某個(gè)節(jié)點(diǎn)多次通信失敗時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)便發(fā)起一次對(duì)該節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路由尋優(yōu)過(guò)程，并根據(jù)尋優(yōu)結(jié)果更新中心節(jié)點(diǎn)路由表，標(biāo)明該節(jié)點(diǎn)正常，或已退出網(wǎng)絡(luò)，或已經(jīng)失效。

這種自動(dòng)組網(wǎng)方法可動(dòng)態(tài)更新網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)失效網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和無(wú)效連接的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并及時(shí)處理，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。

3.2 改善阻抗特性

由于高頻段內(nèi)阻抗特性比較穩(wěn)定，可以考慮將載波通信裝置設(shè)計(jì)在高頻段。設(shè)計(jì)功率放大和耦合電路時(shí)考慮增加其自動(dòng)增益調(diào)整功能。采取如擴(kuò)頻或OFDM等可以減小阻抗特性的調(diào)制模式，

3.3 屏蔽噪聲干擾

文獻(xiàn)［6，7］研究者主要關(guān)注的提高可靠性的措施有濾波、消噪、采用可靠性更高的調(diào)制解調(diào)技術(shù)。濾波及消噪技術(shù)對(duì)突發(fā)脈沖噪聲難以有效濾除，且實(shí)現(xiàn)有難度。從調(diào)制解調(diào)技術(shù)角度出發(fā)，不僅可以有效應(yīng)對(duì)噪聲干擾，還可以在電力線信道不利的通信環(huán)境中提高通信的可靠性。

3.4 采用先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)

為了提高低壓電力線載波通信系統(tǒng)的可靠性，國(guó)內(nèi)外的廣大科研工作者還在通信技術(shù)方面做了更深度的探索，例如采用更加先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)。目前低壓電力線載波通信正朝著使用OFDM技術(shù)方向發(fā)展。

載波通信調(diào)制基本方式及其衍生類型主要有：幅度鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）、多進(jìn)制幅度鍵控（MASK）、多進(jìn)制移頻鍵控（IDFSK）、最小移頻鍵控（MSK）、多進(jìn)制相移鍵控（MPSK）和四相相移鍵控（QPSK）等［8］。通常用誤碼率作為可靠性分析的參考指標(biāo)。設(shè)通信系統(tǒng)碼元速率和信號(hào)平均功率及噪聲功率均相同，幾種傳統(tǒng)調(diào)制方式的可靠性能比較如表1所示。

表1 幾種傳統(tǒng)調(diào)制方式性能比較

表1中：fb——碼源速率；

r——信噪比，r = A02/2σ2，其中A02為信號(hào)平均功率，σ2為噪聲功率；

erfc（η）——互補(bǔ)衰減函數(shù)